本文選題：諧振腔 + 馬赫曾德干涉儀��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：環(huán)形諧振腔由于其高集成度、高分辨率和易加工等優(yōu)點(diǎn)受到研究人員的廣泛關(guān)注。它可以用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波器、光開(kāi)關(guān)、光學(xué)延遲器、光學(xué)傳感器等多種光學(xué)器件。溫度傳感器和磁場(chǎng)傳感器是它的兩個(gè)典型的應(yīng)用。本文研究了光學(xué)環(huán)形諧振腔的溫度和磁場(chǎng)傳感特性,具體內(nèi)容如下:第一,介紹了幾種常見(jiàn)諧振腔的光學(xué)特性和傳感應(yīng)用的研究現(xiàn)狀。其中包含波導(dǎo)環(huán)形諧振腔及其耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)和不同種類(lèi)的回音壁模式諧振腔。隨后介紹了基于環(huán)形諧振腔的溫度和磁場(chǎng)傳感器研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)了這個(gè)領(lǐng)域中需要進(jìn)一步補(bǔ)充和改進(jìn)的研究?jī)?nèi)容,作為本論文的主要研究?jī)?nèi)容。第二,以單環(huán)諧振腔及其耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)為例,介紹了傳輸矩陣?yán)碚撁枋鼋Y(jié)構(gòu)傳輸特性的方法。并對(duì)該結(jié)構(gòu)的溫度傳感特性研究步驟進(jìn)行介紹。同時(shí),介紹了回音壁模式諧振腔的光學(xué)和機(jī)械模式計(jì)算理論及計(jì)算方法,并模擬了回音壁模式諧振腔的光學(xué)和機(jī)械模式,給出評(píng)價(jià)模式優(yōu)劣的指標(biāo)。隨后提出了簡(jiǎn)易的描述回音壁模式諧振腔磁場(chǎng)傳感特性的理論,預(yù)測(cè)了回音壁模式諧振腔的磁場(chǎng)靈敏度。為選取合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù),理論上對(duì)棱鏡與諧振腔的耦合系統(tǒng)中光入射角度進(jìn)行計(jì)算,確定了實(shí)驗(yàn)中光學(xué)元件的位置;同時(shí)介紹了Pound-Drever-Hall穩(wěn)頻理論,確定后續(xù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)頻時(shí)所需的調(diào)制頻率。第三,對(duì)上下話路單環(huán)諧振腔耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。理論分析了上下話路單環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)兩輸出端口的色散和透射特性。在此基礎(chǔ)上,提出利用這兩個(gè)端口的正反常色散特性提高干涉儀靈敏度的方案。理論分析得到上下話路單環(huán)諧振腔耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的色散靈敏度,確定了在不同耦合區(qū)域內(nèi)如何選取上下話路單環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)才能獲得最佳色散靈敏度。并在其中選取一組參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,得到與理論基本一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后,計(jì)算了利用上下話路單環(huán)諧振腔耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度傳感時(shí)的傳感精度,與傳統(tǒng)馬赫曾德干涉儀的傳感結(jié)果進(jìn)行比較,揭示了色散靈敏度的意義。第四,利用單環(huán)鑲嵌諧振腔耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)獲得傳感實(shí)驗(yàn)所需的非對(duì)稱(chēng)法諾諧振。理論計(jì)算了該結(jié)構(gòu)在參考臂上引入不同的相位偏置時(shí)兩個(gè)輸出端口的透射譜線,選取兩個(gè)端口能夠產(chǎn)生光強(qiáng)變化相反的非對(duì)稱(chēng)法諾諧振的結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)行溫度傳感研究。通過(guò)數(shù)值模擬的方法討論了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)溫度傳感特性的影響。第五,實(shí)驗(yàn)上研究了回音壁模式諧振腔的光學(xué)和磁場(chǎng)傳感特性。利用COMSOL數(shù)值模擬諧振腔機(jī)械模式頻率來(lái)確定諧振腔在何種尺寸才能實(shí)現(xiàn)在千赫茲范圍內(nèi)較靈敏的磁場(chǎng)探測(cè)。利用腔衰蕩法和掃頻法分別測(cè)試了兩個(gè)諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)。搭建穩(wěn)頻系統(tǒng),將激光器輸出頻率穩(wěn)定在諧振腔的諧振頻率處。隨后,對(duì)所加工的諧振腔的磁場(chǎng)特性進(jìn)行測(cè)試,獲得千赫茲頻率范圍內(nèi)的磁場(chǎng)傳感精度。通過(guò)改變二氟化鈣光學(xué)腔在磁致伸縮介質(zhì)外的縱向位置和選取合適的磁致伸縮介質(zhì)高度來(lái)優(yōu)化回音壁模式諧振腔的機(jī)械模式,確定了改進(jìn)型諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)。隨后在穩(wěn)頻系統(tǒng)中進(jìn)行磁場(chǎng)傳感實(shí)驗(yàn)測(cè)量改進(jìn)型諧振腔的磁場(chǎng)探測(cè)精度和頻率范圍,獲得了比未改進(jìn)前諧振腔更寬的頻率探測(cè)范圍。這兩個(gè)諧振腔在低頻范圍內(nèi)均獲得了比微腔更高的靈敏度,不必利用材料的非線性特性就可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的直接測(cè)量,降低了測(cè)量難度。對(duì)諧振腔的磁場(chǎng)特性測(cè)試為后續(xù)進(jìn)行核磁共振研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本文的研究工作改進(jìn)了已有的提高干涉儀相位靈敏度的方式,為干涉儀式傳感器的應(yīng)用提供更多選擇。獲得了低頻范圍內(nèi)室溫下工作的高靈敏度諧振腔磁場(chǎng)傳感器,提升了諧振腔在光學(xué)傳感方面的實(shí)用價(jià)值。
[Abstract]:In this paper , the research progress of the optical and mechanical modes of the resonant cavity with single ring resonator and its coupling Mach - Zehnder interferometer is presented .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：1922143